空間信息網絡多維資源一體化表征方法技術

本發明專利技術公開了一種基于資源關系時變圖的空間信息網絡多維資源一體化表征方法，主要解決現有技術難以對空間信息網絡多維資源進行表征的問題，其實現過程為：對待表征的空間信息網絡進行初始化；對有向圖進行初始化，并在有向圖上劃分時隙；在有向圖中添加空間信息網絡的頂點；判斷并記錄各種集合的可見關系；根據可見關系在有向圖中的各頂點之間添加不同功能的弧，完成對資源關系時變圖的構建；利用資源關系時變圖中各種功能弧，對空間信息網絡中的各種資源進行表征。本發明專利技術使用資源關系時變圖表征網絡中資源的時變性與相關性，顯著降低了空間信息網絡中資源表征的復雜度，可用于空間信息網絡觀測、存儲、傳輸、計算資源的表征。

Spatial information network, multidimensional resources, integrated representation method

The invention discloses a resource based on time-varying relationship graph integration multidimensional network information resource space characterization methods, mainly to solve the existing technology is difficult to characterize the spatial information of multidimensional network resources, the realization process for space information network to initialize the representation; initialized to the map, and in directed graph on the division of time slots; in addition to the space information network graph; judgment and visible records of various collections; add different functions to each vertex in the graph in a relationship according to the visible arc of time-varying mapping relationship resources; utilization of resources between various functions of time-varying arc. To characterize the various resources in space information network. The invention uses time-varying correlation with time-varying resource relationship resource map representation in the network, significantly reduces the complexity of resource representation of spatial information in the network, can characterize the space information network, storage, transmission, observation of computing resources for.

【技術實現步驟摘要】
空間信息網絡多維資源一體化表征方法
本專利技術屬于空間信息
，特別涉及一種空間信息網絡多維資源一體化表征方法，可用于空間信息網絡觀測、存儲、傳輸、計算資源的分析和管理實施。
技術介紹
空間信息網絡是我國重要的基礎設施，是支持對地觀測、遠洋航行、應急救援、導航定位、航空運輸和航天測控的重要平臺。然而,我國空間信息網絡長期面臨資源緊張供不應求的局面。為了緩解資源緊張和業務發展的矛盾，研究適用于空間信息網絡的高效資源管理方法十分重要。隨著星載成像設備的幅寬、分辨率不斷增長，空間信息網絡中節點獲取信息的能力不斷增強，計算資源起到了越來越重要的作用。星載圖像壓縮模塊通過壓縮原始圖像的大小能夠極大的緩解高清圖像對空間信息網絡中信息存儲和回傳帶來的負擔。由于資源的種類繁多、結構復雜，所以聯合管理空間信息網絡中的觀測、計算、存儲和傳輸資源能夠有效的提高網絡資源利用率。然而聯合優化多種資源的使用是一個極為復雜的問題，繁多的資源種類和不同任務需求的多樣性，以及資源的時變性給空間信息網絡資源的管理帶來極大的挑戰。資源表征是資源管理方法的基礎，建立一個良好的針對空間信息網絡資源的表征方法，對于研究空間信息網絡中的觀測、存儲、傳輸、計算等資源的時變性和相關性規律以及進行具體的管理而言，都是至關重要的。以往對空間信息網絡資源表征的研究中，只對觀測、通信、存儲資源進行相應的表征，而沒有考慮相應計算資源的表征。如在RunziLiu的文章“AnAnalyticalFrameworkforResource-LimitedSmallSatelliteNetworks”中，僅著重說明并表征了空間信息網絡觀測、通信、存儲三類資源，并未能將相應的計算資源考慮在內，導致上述工作無法用于空間信息網絡中觀測、壓縮和數傳的聯合規劃。
技術實現思路
本專利技術針對上述技術無法對計算資源進行表征的不足，提出一種空間信息網絡多維資源一體化表征方法，以實現對空間信息網絡環境中的觀測、存儲、傳輸和計算資源的時空二維表征，刻畫不同資源間的承接轉化關系，從而支持對空間信息網絡多維資源的高效利用。為實現上述目的，本專利技術的技術方案包括如下：(1)初始化待表征空間信息網絡的觀測衛星頂點集合OS＝{os1,os2,...,osn}，中繼衛星頂點集合RS＝{rs1,rs2,...,rsn}，地面站頂點集合GS＝{gs1,gs2,...,gsn}，待觀測目標頂點集合OB＝{ob1,ob2,...,obn}和虛擬頂點vr。其中osi表示第i個觀測衛星頂點，rsi表示第i個中繼衛星頂點，gsi表示第i個地面站頂點，obi表示第i個待觀測目標頂點，i∈[1,n],n∈[1,+∞)；(2)初始化一張空白的有向圖，將有向圖的規劃周期T劃分為M個時隙，每個時隙的長度為τ＝T/M,T∈(0,+∞),M∈[1,+∞)；(3)在步驟(2)中的有向圖的每個時隙τ中添加步驟(1)中初始化的空間信息網絡頂點，即觀測衛星頂點、中繼衛星頂點、地面站頂點、待觀測目標頂點和虛擬頂點；(4)將步驟(1)中初始化的各種集合導入到SatelliteToolKit軟件中，根據該軟件中的星歷表判斷每個時隙τ內觀測衛星與待觀測目標可見關系，及中繼衛星與地面站之間的可見關系，并對這些可見關系進行記錄；(5)在步驟(3)有向圖中的各頂點之間添加不同功能的弧，完成對資源關系時變圖的構建：(5a)根據步驟(4)中記錄的可見關系，在步驟(3)有向圖中的各頂點之間添加觀測弧和傳輸弧：如果在每個時隙τ內觀測衛星與待觀測目標相互可見，則在觀測衛星頂點與待觀測目標頂點之間添加觀測弧；如果在每個時隙τ內觀測衛星與中繼衛星相互可見，則在觀測衛星頂點與中繼衛星頂點之間添加傳輸弧；如果在每個時隙τ內觀測衛星與地面站相互可見，則在觀測衛星頂點與地面站頂點之間添加傳輸弧；根據中繼衛星頂點與地面站頂點始終可見的特性，在每一個時隙的中繼衛星頂點與地面站頂點之間添加傳輸弧；(5b)在觀測衛星頂點、中繼衛星頂點和地面站頂點的相鄰時隙之間添加存儲弧，在觀測衛星頂點與虛擬頂點之間添加計算弧，至此完成對資源關系時變圖的構建；(6)使用資源關系時變圖中的各種功能的弧表征空間信息網絡中的各種資源。本專利技術與現有技術相比，具有如下優點：1)本專利技術在構造資源關系時變圖的過程中，通過拆分觀測衛星節點的方法解決了傳統的時間擴展圖中無法表征計算資源壓縮處理數據過程的問題。具體而言，通過將觀測衛星中的成像儀、圖像壓縮模塊和存儲傳輸部分分別表示數據的獲取、壓縮和存儲傳輸等操作。使得拆分后的圖模型中，多個頂點的組合表示空間信息網絡的一個節點，其中每個頂點分別表示對應節點的一個功能模塊，從而使用圖論模型實現了對空間信息網絡中的計算資源的表征。2)本專利技術用資源關系時變圖中的觀測、存儲、傳輸和計算弧表征空間信息網絡中的觀測、存儲、傳輸和計算資源，用弧的容量代表資源的大小，從而實現用統一的單位來量化空間信息網絡中的不同資源，不同類型弧之間的位置關系表征了不同資源間的承接轉化關系。3)本專利技術針對觀測衛星圖像壓縮模塊每個時間間隔內流出的數據量小于流入的數據量進而導致資源關系時變圖中的流守恒定理不成立這一問題，提出并引入了虛擬節點的概念，以保證圖上的流守恒，使得任務執行過程中復雜的圖像觀測、壓縮、存儲和傳輸過程能夠使用資源關系時變圖中的流進行統一表示，從而可以將多維資源聯合管理問題轉化為資源時變圖中的最大流問題。附圖說明圖1是本專利技術使用的場景示意圖；圖2是本專利技術的實現總流程圖；圖3是本專利技術中每個時隙中的觀測衛星與待觀測目標、觀測衛星與中繼衛星以及觀測衛星與地面站之間的可見情況示意圖；圖4是本專利技術中初始化的空白有向圖；圖5是本專利技術中由觀測衛星頂點拆分得到的成像儀頂點、圖像壓縮模塊頂點和存儲傳輸頂點的示意圖。圖6是本專利技術中添加各種空間信息網絡頂點后的有向圖。圖7是本專利技術中添加各種功能弧后的有向圖。具體實施方式以下結合附圖和實例對本專利技術進行詳細說明，實例僅用于說明本專利技術，并不構成對本專利技術的任何限制。本專利技術的實現是基于空間信息網絡場景進行的。參照圖1，本專利技術使用的空間信息網絡，包含衛星、地面站gs1和待觀測目標，其中衛星包括一顆位于同步軌道的中繼衛星rs1和兩顆低軌觀測衛星，即第一觀測衛星為os1，第二觀測衛星為os2；兩個待觀測目標，即第一觀測目標為ob1，第二觀測目標為ob2。觀測衛星的數據收集速率為rc，觀測衛星到中繼衛星的鏈路傳輸速率為rt，觀測衛星到地面站的鏈路傳輸速率為rg，中繼衛星到地面站的鏈路傳輸速率為rr。觀測衛星、中繼衛星和地面站的存儲容量分別為bo、br、bg，觀測衛星的計算容量為ms。網絡的規劃周期為4τ，在規劃周期內觀測衛星和待觀測目標、中繼衛星以及地面站之間的可見情況如圖3所示，圖3中橫軸表示時間，縱軸表示是否可見，每條線表示一對節點間的可見關系，狀態1表示可見，狀態0表示不可見。參見圖2，本專利技術空間信息網絡多維資源一體化表征方法，其實現步驟如下：步驟1，對待表征的空間信息網絡進行初始化。初始化觀測衛星集合OS＝{os1,os2}，其中os1、os2分別代表兩顆低軌觀測衛星；初始化中繼衛星集合RS＝{rs1}，其中rs1代表一顆位于同步軌道的中繼衛星；初始化地面站集合GS本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種空間信息網絡多維資源一體化表征方法，包括：(1)初始化待表征空間信息網絡的觀測衛星頂點集合OS＝{os

【技術特征摘要】
1.一種空間信息網絡多維資源一體化表征方法，包括：(1)初始化待表征空間信息網絡的觀測衛星頂點集合OS＝{os1,os2,...,osn}，中繼衛星頂點集合RS＝{rs1,rs2,...,rsn}，地面站頂點集合GS＝{gs1,gs2,...,gsn}，待觀測目標頂點集合OB＝{ob1,ob2,...,obn}和虛擬頂點vr。其中osi表示第i個觀測衛星頂點，rsi表示第i個中繼衛星頂點，gsi表示第i個地面站頂點，obi表示第i個待觀測目標頂點，i∈[1,n],n∈[1,+∞)；(2)初始化一張空白的有向圖，將有向圖的規劃周期T劃分為M個時隙，每個時隙的長度為τ＝T/M,T∈(0,+∞),M∈[1,+∞)；(3)在步驟(2)中的有向圖的每個時隙τ中添加步驟(1)中初始化的空間信息網絡頂點，即觀測衛星頂點、中繼衛星頂點、地面站頂點、待觀測目標頂點和虛擬頂點；(4)將步驟(1)中初始化的各種集合導入到SatelliteToolKit軟件中，根據該軟件中的星歷表判斷每個時隙τ內觀測衛星與待觀測目標可見關系，及中繼衛星與地面站之間的可見關系，并對這些可見關系進行記錄；(5)在步驟(3)有向圖中的各頂點之間添加不同功能的弧，完成對資源關系時變圖的構建：(5a)根據步驟(4)中記錄的可見關系，在步驟(3)有向圖中的各頂點之間添加觀測弧和傳輸弧：如果在每個時隙τ內觀測衛星與待觀測目標相互可見，則在觀測衛星頂點與待觀測目標頂點之間添加觀測弧；如果在每個時隙τ內觀測衛星與中繼衛星相互可見，則在觀測衛星頂點與中繼衛星頂點之間添加傳輸弧；如果在每個時隙τ內觀測衛星與地面站相互可見，則在觀測衛星頂點與地面站頂點之間添加傳輸弧；根據中繼衛星頂點與地面站頂點始終可見的特性，在每一個時隙的中繼衛星頂點與地面站頂點之間添加傳輸弧；(5b)在觀測衛星頂點、中繼衛星頂點和地面站頂點的相鄰時隙之間添加存儲弧，在觀測衛星頂點與虛擬頂點之間添加計算弧，至此完成對資源關系時變圖的構建；(6)使用資源關系時變圖中的各種功能的弧表征空間信息網絡中的各種資源。2.根據權利要求1所述的方法，其中步驟(3)中在有向圖中添加觀測頂點、存儲頂點、傳輸頂點和虛擬頂點，按如下步驟進行：(3a)將第k個時隙的觀測衛星頂點拆分成成像儀頂點圖像壓縮模塊頂點和存儲傳輸頂點這三部分，其中i表示各種頂點的第i個，i∈[1,n]，n表示各種頂點的上界，n∈[1,+∞)，k表示第k個時隙，k∈[1,M]，M表示時隙的個數，M∈[1,+∞)；(3b)在有向圖的第k層添加成像儀頂點圖像壓縮模塊頂點存儲傳輸頂點中繼衛星頂點地面站頂點待觀測目標頂點這四種頂點按照...

【專利技術屬性】
技術研發人員：盛敏，劉潤滋，朱彥，李建東，徐超，汪宇，周笛，何立軍，賈子曄，
申請(專利權)人：西安電子科技大學，
類型：發明
國別省市：陜西,61